Лекция № 12

Тема лекции: Строение гена на молекулярном уровне

План лекции:

1. Регуляторная часть гена

1.1. Промоторы

1.2. Энхансеры

1.3. Инсуляторы

2. Структурная часть гена

2.1. Интроны и экзоны

2.2. Сплайсинг и альтернативный сплайсинг

3. Терминаторы транскрипции

4. Псевдогены

5. Кластерная организация генов в хромосомах эукариот

1. Регуляторная часть гена

1.1. Промоторы

Каждый ген состоит из регуляторной части, с которой начинается транскрипция структурной части, где записана информация о структуре белка, и терминирующей части, где завершается транскрипция.

Промотор - это последовательность нуклеотидов, «узнаваемая» РНК-полимеразой, с которой начинается процесс транскрипции.

У прокариот процесс транскрипции осуществляется с помощью голэнзима (или «полного энзима») РНК-полимеразы, состоящего из собственно РНК-полимеразы и присоединяющегося к ней σ-фактора. Собственно РНК-полимераза состоит из 4 полипептидов: двух , а также β и β'-субъединиц. РНК-полимераза осуществляет основную реакцию – синтез молекулы иРНК, σ-фактор необходим для опознавания промотора — особого участка в начале гена.

Выявлены общие для всех бактерий особенности структуры промоторов:

1) наличие стартовой точки транскрипции;

2) особая последовательность нуклеотидов, начиная с положения -10;

3) особая последовательность нуклеотидов в районе -35;

4) фиксированное расстояние между участками -10 и -35.

Рассмотрим их подробнее (рис. 7.35).

1. В стартовой точке транскрипции (у >90% промоторов) располагается пурин. Довольно часто это – центральный нуклеотид в последовательности CAT.

2. Шесть нуклеотидов ТАТААТ в районе от -10 п.н. обнаруживают почти во всех промоторах. Они были найдены впервые в 1975 г. Д. Прибновым и названы доменом Прибнова.

3. Последовательность TTGACA находится в районе - 35 п.н.

4. Расстояние, разделяющее указанные консервативные последовательности, составляет 16 и 18 п.н. в 90 % промоторов. В виде исключений может быть 15, 19 или 20. Это расстояние важно, поскольку согласуется с формой молекулы РНК-полимеразы.

Рассмотрим процесс инициации транскрипции. Вначале РНК-полимераза контактирует с районом от -55 до +20 пн. Инициирующий комплекс содержит РНК-полимеразу и σ-фактор, который слабо связывается с участком промотора в положении -35 п.н., контролируя посадку РНК-полимеразы именно на промотор.

Затем РНК-полимераза связывается с доменом Прибнова — районом вблизи положения -10. Одновременно с этим расплетаются полностью почти два витка двойной спирали ДНК (длиной в 17 п.н.) вокруг нуклеотида в положении -10. Следует отметить, что в этом положении присутствуют в основном А-Т нуклеотиды, имеющие по две водородные связи между собой, что значительно облегчает возможность их разъединения.

Далее σ-фактор удаляется, а собственно фермент РНК-полимераза становится более компактным, превращаясь в комплекс элонгации.

У эукариот процесс транскрипции значительно сложнее по двум причинам.

Во-первых, транскрипция осуществляется под действием трех разных РНК-полимераз:

РНК-полимераза I синтезирует 18, 28 и 5,8S рРНК.

РНК-полимераза II считывает мРНК с генов, кодирующих белки и некоторые мяРНК (малые ядерные РНК);

РНК-полимераза III транскрибирует гены 5S рРНК, тРНК и остальные мяРНК.

Во-вторых, РНК-полимераза эукариот не может самостоятельно инициировать транскрипцию. Для ее активирования необходимо большое число белков, называемых факторами транскрипции, которые должны объединиться в комплекс, прежде чем транскрипция начнется.

Рассмотрим организацию регуляторных участков гена, транскрибируемого с помощью РНК-полимеразы II. Типичный ген, считываемый этим ферментом, имеет промотор, расположенный выше стартовой точки транскрипции. Он содержит несколько коротких (меньше 10 п.н.) последовательностей нуклеотидов, с которыми связываются белки – общие факторы транскрипции. Эти последовательности разбросаны на участке длиной свыше 200 пн. Они могут быть позитивными и негативными.

Другой регуляторный участок – энхансер – находится в нескольких тпн от промотора и содержит более плотно расположенные регуляторные элементы – последовательности нуклеотидов, которые также связывают факторы транскрипции, но они называются специфическими.

Промотор состоит из нескольких элементов. Из них самым близким к точке начала транскрипции является ТАТА-домен, называемый также доменом Хогнесса. Затем следуют домены СААТ и GC.

Домен СААТ контролирует первоначальное связывание РНК-полимеразы с промотором, ТАТА и GC, по-видимому, выполняют вспомогательные роли.

Помимо РНК-полимеразы в процессе транскрипции участвуют уже упомянутые белки - общие факторы транскрипции. Они связываются с РНК-полимеразой II, формируя комплекс, окружающий стартовую точку.

Известно шесть общих факторов транскрипции: TFIIA, TFIIB, TFIID, ТFIIE, TFIIF и TFIIH (по некоторым данным, семь — описан TFIIJ). Они обозначаются первыми буквами слов transcription factors — TF с добавлением римской цифры I, II или III, в зависимости от того, какая это РНК-полимераза — I, II или III. Далее следует обозначение собственно белковой молекулы.

В состав транскрибирующего комплекса входят еще белки, называемые Srb и Swi/Snf, которые помогают РНК-полимеразе разрушить нуклеосомы и декомпактизовать молекулу ДНК.

Всего в состав транскрибирующих комплексов входит до 50 белков, иногда эти комплексы называют транскриптосомами, или транскрипционными пузырьками.

Комплекс РНК-полимеразы II и общих факторов транскрипции может функционировать самостоятельно, но с низкой эффективностью. Чтобы достичь необходимого уровня, требуется участие специфических факторов транскpипции.

Они обладают двумя важнейшими свойствами:

1) опознавать специфические последовательности нуклеотидов, расположенные в энхансерах, промоторах и других регуляторных элементах данного гена;

2) связываться с белками-другими компонентами транскрипционного аппарата после присоединения к ДНК.

Известны различные белки, имеющие следующие специфические мотивы связывания с ДНК:

1. Белки-рецепторы стероидных гормонов. Каждый такой белок активируется в результате связывания с определенным стероидным гормоном, т.е. в некоторых случаях для транскрипции гена нужны еще и гормоны.

2. Мотив «цинковые пальцы» (zinc-finger).

3. Спираль-поворот-спираль. Одна L-спираль лежит в широкой бороздке ДНК, вторая под углом поперек ДНК.

4. Спираль-петля-спираль.

5. «Лейциновая застежка» - состоит из последовательности аминокислот с остатком лейцина в каждой седьмой позиции. Мотивы двух белков взаимодействуют, образуя димер.